Imaging a fase spirale nell’infrarosso con fotoni non rivelati usando un modulatore spaziale della luce a lunghezza d’onda visibile

Vedere l’invisibile

Molte sostanze di interesse — dai tessuti biologici ai materiali industriali — rivelano le loro proprietà nella luce infrarossa, una parte dello spettro che i nostri occhi e la maggior parte delle fotocamere comuni non colgono bene. La difficoltà è che le camere sensibili all’infrarosso sono costose e rumorose, mentre le fotocamere per la luce visibile sono economiche, ad alta risoluzione e diffuse. Questo lavoro mostra come usare ottica quantistica ingegnosa e un modellatore di luce programmabile per ottenere immagini infrarosse nitide con enhancement dei bordi usando soltanto una comune camera per luce visibile, con il sorprendente dettaglio che i fotoni rilevati non toccano mai effettivamente l’oggetto immaginato.

La luce che guarda senza toccare

L’esperimento si basa su una tecnica chiamata imaging con fotoni non rivelati. Un cristallo speciale converte un fascio di “pump” ad alta energia in coppie di fotoni a energia più bassa: uno a lunghezza d’onda visibile e il suo partner nell’infrarosso. Il dispositivo consente a ogni coppia di essere generata in due passaggi differenti attraverso il cristallo, e i percorsi sono disposti in modo che, a meno che qualcosa non intervenga, non ci sia modo di sapere in quale passaggio è nata una data coppia. Questa indistinguibilità deliberata fa sì che i fotoni visibili formino un pattern di interferenza estremamente sensibile a ciò che accade ai loro partner infrarossi non rivelati.

Usare l’infrarosso nascosto per disegnare un’immagine

Per creare un’immagine, i ricercatori inviano i partner infrarossi verso un oggetto — come un target di prova o una maschera con un motivo — mentre guidano i partner visibili lungo un percorso separato che non incontra mai l’oggetto. Qualsiasi cambiamento nel fascio infrarosso, come assorbimento o spostamenti di fase durante il passaggio attraverso il campione, altera sottilmente le condizioni per l’interferenza. Questi cambiamenti si manifestano come variazioni locali di luminosità nel pattern di interferenza della luce visibile registrato da una camera convenzionale. Diversamente dal “ghost imaging”, questo approccio non richiede la registrazione di coincidenze tra i due fotoni; la mera possibilità di apprendere quale percorso ha seguito la coppia è sufficiente a modellare l’immagine visibile.

Modellare la luce nel colore sbagliato di proposito

In molti microscopi moderni, un dispositivo chiamato modulatore spaziale della luce (SLM) è posizionato in un piano di Fourier — un piano ottico dove dettagli diversi dell’immagine corrispondono a frequenze spaziali diverse. Cambiando la fase di queste frequenze si può progettare la funzione di diffusione del punto, aumentare il contrasto, correggere aberrazioni o enfatizzare i bordi. Tuttavia, gli SLM a cristalli liquidi standard funzionano male alle lunghezze d’onda nel medio infrarosso. L’innovazione chiave qui è porre un SLM per luce visibile nel percorso dei fotoni visibili, ma usarlo per manipolare l’aspetto dell’immagine infrarossa. Poiché il pattern di interferenza dipende congiuntamente dalla fase di entrambi i fasci, una maschera di fase applicata solo al fascio visibile rimodella efficacemente il modo in cui l’informazione proveniente dall’oggetto infrarosso viene trasferita alla camera.

Far risaltare i bordi con un trucco a spirale

Il team dimostra questa idea con un particolare tipo di filtro di Fourier noto come maschera di fase spirale, che introduce una fase che ruota dolcemente attorno a un punto centrale. Nell’ottica convenzionale, questa maschera fa sì che ogni punto dell’oggetto sfumi in un pattern a forma di ciambella il cui interno di fase conduce a interferenza distruttiva nelle regioni uniformi e a interferenza costruttiva nei cambiamenti bruschi. Di conseguenza, le aree lisce diventano scure mentre i bordi si illuminano, ottenendo enhancement dei bordi in tutte le direzioni. Visualizzando un motivo a spirale sull’SLM per luce visibile, i ricercatori ottengono lo stesso effetto di evidenziazione dei bordi per un oggetto che esiste solo nel fascio infrarosso. Le immagini in campo chiaro e le loro controparti filtrate con la spirale mostrano che i bordi si invertono da scuri a luminosi e lo sfondo si appiattisce, il tutto mentre la luce infrarossa non raggiunge né l’SLM né la camera.

Passi verso una visione infrarossa più nitida

Gli autori caratterizzano la risoluzione e il campo visivo del loro sistema, mostrando un buon accordo tra prestazioni misurate e previsioni teoriche, e discutono questioni pratiche come frange residue e contrasto limitato dovuto al numero finito di pixel dell’SLM attraverso il fascio. Indicano modi per migliorare stabilità ed efficienza, ad esempio adottando una diversa geometria di interferometro o usando SLM con pixel più fini. Nel complesso, questa dimostrazione di principio mostra che un modulatore di luce programmabile e operativo solo nel visibile può controllare come l’informazione infrarossa viene convertita in un’immagine visibile, permettendo viste con enhancement dei bordi di campioni a lunghezze d’onda per le quali camere e modulatori adeguati scarseggiano. Sul lungo termine, questo approccio potrebbe portare potenti tecniche di contrasto come la microscopia a campo oscuro e a contrasto di fase nel dominio infrarosso senza la necessità di rilevare direttamente la luce infrarossa.

Citazione: Wolley, O., Pearce, E., Mekhail, S.P. et al. Spiral phase infrared imaging with undetected photons using a visible wavelength spatial light modulator. Sci Rep 16, 14130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43775-3

Parole chiave: imaging quantistico, microscopia a infrarossi, modulatore spaziale della luce, enhancement dei bordi, contrasto di fase spirale